CN112167242B - 一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置 - Google Patents

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    • A01N1/0242—Apparatuses, i.e. devices used in the process of preservation of living parts, such as pumps, refrigeration devices or any other devices featuring moving parts and/or temperature controlling components
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Abstract

本发明公开了一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置，属于生物材料低温保存领域。本装置包括多层交替设置的相变材料层和绝热层，待保存的生物材料设置于最内层的相变材料层中心，紧邻生物材料的相变材料层的相变温区等于或低于目标保存温度，沿着由里向外的方向，各相变材料层的相变温区依次递增或相等。本发明可适应不同生物材料所需的储运温度和有效保存时间要求，在相同的空间条件下可实现更长的有效保存时间，并且针对液氮温区的低温储运，可用相对少的液氮量实现更长的有效保存时间。

Description

一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置
技术领域
本发明属于生物材料低温保存领域，具体为一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置。
背景技术
在室温下，离体细胞、组织以及器官等生物材料无法长期存活而保持其生理特性不变。生物体内的新陈代谢均服从于阿伦尼乌斯(Arrhenius)关系式：k＝Aexp(-E/RT)，其中，k为生化反应速率，A为Arrhenius因子，E为活化能，R为气体常数，T为热力学温度。由此可以看出，低温能够抑制生物体的生化活动。鉴于此，低温保存常用于医学、制药、食品、农业等领域。目前常用于生物材料保存的温区主要有4℃，-20℃，-80℃和液氮温度。生物材料低温保存后，常常涉及相应温区的储运问题，比如：活体组织检查需要从患者体内切取、钳取或穿刺等方式取出病变组织，进行病理学检查，通常活体组织离开人体后不能现场进行活体组织病理学检查，需要低温保存后通过储运装置运送到可进行活组织检查检测的机构。
目前，低温储运装置可按有无主动冷却设备分为两种类型，有主动冷却式低温储运装置存在体积大、重量重的问题；而无主动冷却式低温储运装置结构紧凑，但仍面临有效保存时间(即温度保持在目标温度的时间)短的问题。
Van Der Leij和Vanapalli(T.Van Der Leij and S.Vanapalli,2015.Amultilayer cold specimen transport container without active cooling.EuropeanPatent,EP2444769A1.)比较了传统单蓄热层结构和多蓄热层结构的无主动冷却式低温储运装置，发现相比相同质量和体积的传统单蓄热层结构，蓄热层和绝热层相间隔的多层结构的有效保存时间更长。该多层结构利用了绝热层的导热系数比蓄热层小的特性，有效减少了外界环境的漏热。Van Der Leij和Vanapalli设计的多蓄热层结构采用了同种相变材料(Phase Change Material, PCM)，主要针对保存温度在-80℃以上的应用。对于所需保存温度更低的应用，多采用液氮作为蓄热材料，为防止液氮在运输过程中溢出，目前多采用在腔体内填充多孔材料的方法，利用多孔材料对液氮的吸附、吸收和毛细作用实现对液氮束缚，以防止其溢出的发生(P.L.MullensandG.Emmel,2000.Shipping container forstoring materials at cryogenic temperatures.United States Patent,US6119465A)。即使如此，液氮气化产生气体的问题仍无法避免，这限制了该类型低温储运装置在某些场合的使用量，比如在空运中，液氮被明确列为危险品，须尽可能减少使用量。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置。可根据目标温度要求，选择不同温区的相变材料组合，对于液氮温区的目标温度，本发明相比传统的设计，可使用更少的液氮量实现满足要求的有效保存时间。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置，其特征在于，包括多层交替设置的相变材料层和绝热层，待保存的生物材料设置于最内层的相变材料层中心，紧邻生物材料的相变材料层的相变温区等于或低于目标保存温度，沿着由里向外的方向，各相变材料层的相变温区依次递增或相等。
进一步地，所述相变材料层采用的相变材料包括：液氮、干冰、共晶盐、酒精、石蜡，以及多组分有机和无机相变材料。
进一步地，所述绝热层采用的绝热材料包括：聚合物泡沫、玻璃纤维气凝胶和真空。
本发明的特点及有益效果如下：
本发明提供了一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置，该类型无主动冷却低温储运装置可用于储运不同保存温度的离体细胞、组织以及器官等生物材料，本发明可适应不同生物材料所需的储运温度和有效保存时间要求，该类型无主动冷却低温储运装置其具有结构紧凑、操作简便、安全可靠等特点。相比传统的无主动冷却低温储运装置，本发明在相同的空间可实现更长的有效保存时间，并且针对液氮温区的低温储运，优势更为明显，可用相对少的液氮量实现更长的有效保存时间。
附图说明
图1是基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置示意图；
图2是两种低温储运装置有效低温保存时间的比较；
图3是优化相变材料和绝热材料几何尺寸的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置的应用实例。
本发明实施例的一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置，参见图1，整体呈圆柱状，包括多层交替设置的相变材料层(3、4、5)和绝热层2，待保存的生物材料 1设置于最内层的相变材料层3中心，紧邻生物材料1的相变材料层3的相变温区等于或低于目标保存温度，沿着由里向外的方向，各相变材料层的相变温区依次递增或相等 (T5≥T4≥T3)，近邻生物材料1的最内层相变材料层3的作用是维持目标温度，除最内层的相变材料层3外其余相变材料层4和5的作用通过减小相变材料层3和外界环境的温差来减小漏热，绝热层2的作用是通过减小相变材料层3和外界环境之间的导热系数来减小漏热。常用的低温相变材料包括：液氮，干冰，共晶盐(如E-144、E-90、E-32)，酒精，石蜡，以及多组分有机和无机相变材料等，详见文献[1](Li,G.,et al.,Review of cold storage materials forsubzero applications.Energy,2013.51:p.1-17.)。常用的绝热材料包括：聚合物泡沫(如聚氨酯泡沫、玻璃纤维增强聚氨酯泡沫、聚异氰脲酸酯泡沫，详见文献[2]：Park,S.-B.,etal.,Polymeric foams for cryogenic temperature application: Temperature rangefor non-recovery and brittle-fracture of microstructure.Composite Structures,2016.136:p.258-269.)，玻璃纤维气凝胶和真空层等。本实施例中，采用三层相变材料层和两层绝热层(图1中，R1～R6分别为各结构层内外侧壁至装置中心的距离)，实际装置的相变材料层和绝热层数可根据目标温度、有效保存时间、尺寸和重量要求等确定。本发明不仅仅适用于圆柱形，其他几何结构均可采用类似的结构设计。
本发明的无主动冷却低温储运装置利用低温相变材料(相变温度低于或等于目标温度的相变材料)来维持待保存生物材料的温度，利用高温相变材料(相变温度高于目标温度的相变材料)和绝热材料相间的多层结构，减少外界环境和低温相变材料的漏热，以实现长时间维持待保存生物材料温度的目的。
为了验证本发明装置的有效性，将尺寸相同的现有无主动冷却低温储运装置(以下简称装置a)与本发明装置(以下简称装置b)的有效保存时间进行对比。参见图2，装置a和装置b均包括两层相变材料层和一层绝热层，其中最内层的相变材料层内侧壁至装置中心的距离R1、最内层的相变材料层外侧壁至装置中心的距离R2、外层的相变材料层内侧壁至装置中心的距离R3和外层的相变材料层外侧壁至装置中心的距离R4分别为50 mm、150mm、200mm和300mm，高为300mm。装置a的内外两层相变材料均为液氮，而装置b的内层和外层相变材料分别为液氮和共晶盐溶液E-144。图2显示的时间是将初始温度为液氮温度(77.3K)的两装置放置于温度为300K的环境中，半径为R1的壁面温度，因自然对流的影响，随时间的变化。该类型装置的有效保存时间定义为半径为R1的内壁面平均温度保持在液氮温度的时间。
为实现对该结构的传热过程的模拟及其结构优化，建立了描述该结构的数学模型，该模型的基本假设包括：1.相变材料的热物理性质与温度无关；2.相变材料是均匀且各向同性的；3.装置内的热传导是轴对称的；4.各层之间的界面热阻忽略不计；5.底层和顶层的热传导忽略不计。
基于上述假设，该结构的传热过程可通过下方程描述：
Figure BDA0002698061830000041
H＝h+ΔH
其中，ρ为相变材料层或绝热层的密度，H为相变材料层或绝热层的总比焓，h为相变材料层或绝热层的比显热焓，ΔH为相变材料层或绝热层的比潜热焓，
Figure BDA0002698061830000042
为相变材料层变为液相或气相后，液相或气相的速度，k为相变材料层或绝热层的导热系数，T为相变材料层或绝热层的实际温度，S为源项。其中，对于相变材料层而言，比潜热焓和源项为非零项，具体数值取决于材料的物性，而对于绝热材料而言，比潜热焓和源项均为零。
设定边界条件如下：
在R＝R4处，
Figure BDA0002698061830000043
在R＝R1处，
Figure BDA0002698061830000044
其中U为自然对流换热系数，A为装置暴露在环境中的面积，Ta为环境温度。
初始条件：在t＝0时刻，T＝T0，T0是储运装置初始时刻的温度。
经上述模型计算发现，装置a和b的有效保存时间分别为43.5h和44.7h，装置b的设计不仅在有效保存时间上占优，而且还减少了液氮的用量，有利于其在空运领域的应用，验证了基于多相变材料的无主动冷却低温储运装置的优势。
本发明装置中相变材料层和绝热材料层的几何尺寸的确定方法如图3所示，首先根据目标温度选择相变材料和绝热材料，接着初始化相变材料层和绝热材料层的几何尺寸，基于初始化的几何尺寸以及相变材料和绝热材料的物性，利用上述模型计算有效保存时间，如果第n步计算的有效保存时间比第n-1步计算的有效保存时间长，更新候选几何尺寸并判断是否满足终止条件，否则，直接判断是否满足终止条件；若不满足终止条件，则通过“智能算法”，比如模拟退火、遗传算法、禁忌搜索或神经网络等，产生新的候选几何尺寸，再计算有效保存时间，直至满足终止条件，选出最优的几何尺寸；若满足终止条件，则选出最优的几何尺寸。终止条件包括：1)几何已经满足最优值条件和2) 计算耗费的资源限制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于多层相变材料的无主动冷却低温储运装置，其特征在于，包括两层交替设置的相变材料层和绝热层，待保存的生物材料设置于最内层的相变材料层中心，紧邻生物材料的相变材料层的相变温区等于或低于目标保存温度，沿着由里向外的方向，各相变材料层的相变温区依次递增或相等；内层和外层的相变材料层采用的相变材料分别为液氮和共晶盐E-144。
2.根据权利要求1所述的无主动冷却低温储运装置，其特征在于，所述绝热层采用的绝热材料包括：聚合物泡沫、玻璃纤维气凝胶和真空。
3.根据权利要求1或2所述的无主动冷却低温储运装置，其特征在于，所述相变材料层和绝热层的几何尺寸按照以下方法确定：
根据目标温度选择相变材料和绝热材料，并初始化所述相变材料层和所述绝热层的几何尺寸；
构建所述无主动冷却低温储运装置的物理模型，基于初始化的几何尺寸以及选择的相变材料和绝热材料的物性，利用所述物理模型计算有效保存时间；
如果第n步计算的有效保存时间比第n-1步计算的有效保存时间长，更新候选几何尺寸并判断是否满足终止条件，否则，直接判断是否满足终止条件；若不满足终止条件，则通过智能算法产生新的候选几何尺寸，再计算有效保存时间，直至满足终止条件，选出所述相变材料层和所述绝热层的最优几何尺寸；
所述物理模型的方程为：
Figure FDA0003438294770000011
H＝h+ΔH
其中，ρ为相变材料层或绝热层的密度，H为相变材料层或绝热层的总比焓，h为相变材料层或绝热层的比显热焓，ΔH为相变材料层或绝热层的比潜热焓，
Figure FDA0003438294770000012
为相变材料层变为液相或气相后，液相或气相的速度，k为相变材料层或绝热层的导热系数，T为相变材料层或绝热层的实际温度，S为源项；对于相变材料层而言，比潜热焓和源项为非零项，对于绝热材料而言，比潜热焓和源项均为零。
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